CC BY
37
УДК 519.673
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ
«МАГНИТНЫЙ НАНОКОМПОЗИТ - У-ЦИРКУЛЯТОР» НА ОСНОВЕ ОПАЛОВЫХ МАТРИЦ
П.Б. Жернаков
Исследуется система «магнитный нанокомпозит — У-циркулятор» для проверки адекватности используемого математического аппарата и вычислительного алгоритма оптимизации ее параметров и структуры.
Ключевые слова: моделирование, эксперимент, техника СВЧ, нанокомпозит, оптимальные параметры, опаловые матрицы.
Проводимые исследования в области совершенствования свойств невзаимных устройств показали, что использование магнитных наноком-позитов в технике сверхвысоких частот (СВЧ) имеет большую перспективу [1-3].
В настоящее время научный интерес отечественных и зарубежных ученых в данной области сосредоточен на исследованиях свойств анизотропных наноструктурных материалов, таких, как опаловые матрицы и углеродные нанотрубки. Опаловые матрицы представляют интерес и с той точки зрения, что в России существует опытное производство наиболее высококачественных в мире образцов (последнее подтверждается многочисленными отзывами отечественных и зарубежных специалистов)
[1-3].
Магнитные нанокомпозиты на основе опаловых матриц имеют небольшие значения [4], их диэлектрическая проницаемость в несколько раз меньше, чем ферритов, которые применяются при разработке и производстве техники СВЧ в настоящее время.
Эксперименты показали, что внешние магнитные поля могут значительно изменять характеристики этого класса наноматериалов. В условиях магнитного резонанса на частотах миллиметровых волн были получены изменения до 60 %. Столь большие изменения, которые могут реализоваться в широком интервале частот, представляют несомненный интерес для использования в магнитоуправляемых электронных приборах и устройствах СВЧ [2].
Невзаимные устройства СВЧ на основе этих нанокомпозитов пока еще не реализованы. Разработка устройств СВЧ на основе новых наноком-позитов требует проведения большого количества дорогостоящих экспериментов, часть из которых может быть заменена менее затратным вычислительным экспериментом.
Целью работы является комплексное исследование системы «магнитный нанокомпозит - У-циркулятор» для проверки адекватности используемого математического аппарата и вычислительного алгоритма оптимиза-
228
ции параметров, включающее несколько этапов. Первым этапом является моделирование системы «магнитный нанокомпозит - Y-циркулятор» с эффективными значениями ее параметров и структуры. На следующем этапе проводится экспериментальное исследование волноводных циркуляторов на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц, измерение их микроволновых характеристик. На заключительном этапе осуществляется сравнение результатов характеристик ферритовых циркуляторов СВЧ, полученных при моделировании и в ходе эксперимента.
На первом этапе моделирования системы «магнитный нанокомпозит - Y-циркулятор» использовалась ранее разработанная автором программа, позволяющая осуществлять оптимизацию структуры и параметров магнитных нанокомпозитов и Y-циркулятора на их основе по нескольким параметрам.
Перспективными для разработки и создания циркуляторов являются магнитные нанокомпозиты с металлическими магнитными наночасти-цами (Со, Ni, Fe) в межсферических пустотах опаловой матрицы [6, 11]. В качестве базового образца Y-циркулятора исследовался волноводный цир-кулятор миллиметрового диапазона волн ФВЦН1-42. Проведем моделирование на основе материала наночастиц Co80Ni20 для определения оптимальных параметров.
В результате проведенных ранее исследований была определена целевая функция оптимизации параметров системы «магнитный нанокомпо-зит - Y-циркулятор» на основе опаловых матриц:
^опт (^ф, Иф, R, d, n, ev, Явн, Ms, q, e, a, s), (1)
где dф - диаметр вкладыша из магнитного нанокомпозита, мм; Иф - высота
диска из магнитного нанокомпозита, мм; R - радиус диэлектрических наносфер опаловой матрицы, нм; d - диаметр магнитных наночастиц, нм; n - количество магнитных наночастиц в межсферических пустотах опаловой матрицы; ev - диэлектрическая проницаемость диэлектрических нано-сфер опаловой матрицы; Явн - напряженность постоянного внешнего магнитного поля, Э; Ms - намагниченность насыщения магнитных наночастиц, Гс; q - константа обменного взаимодействия для магнитных наночастиц; e - комплексная диэлектрическая проницаемость магнитных наночастиц; a - магнитные потери магнитных наночастиц; s - среднеквадратиче-ское отклонение случайной величины магнитного поля ферромагнитного резонанса магнитных наночастиц, Э.
В целевой функции (1) переменные R, ev, Ms, q, e, a, s фиксируем на основе анализа магнитных нанокомпозитов и существующих в настоящее время технологий изготовления: R = 150 нм, ev = 4,6 - 4 10-4,
229
4pMs = 15356 Гс, mo q = 2,2 10-9 Э см2, e = 1 - i 1,1 • 107, a = 0,005, s = 895 Э. Таким образом, исходная целевая функция будет зависеть только от 5 переменных:
Yопт (¿ф, Нф, d, n Нвн) ® min . (2)
Выполним моделирование рассматриваемой системы с полосой
частот /max = 35 ГГц, /min = 33 ГГц, D/ = /max - /min = 2 ГГц • Ограничения на переменные целевой функции: 2,0 £ ¿ф £ 5,0 мм,
1,5 £ Нф £ 3,4 мм, 10 £ d £ 50 нм, 1 £ n £ 5, Нвн > 0. Ограничения
на переменные связаны с геометрическими размерами Y-циркулятора ФВЦН1-42 и с современными технологиями изготовления опаловых матриц.
На рис. 1 показаны эффективные характеристики Y-циркулятора ФВЦН1-42 с магнитными нанокомпозитами на основе опаловых матриц с частицами Co80Ni20 в межсферических пустотах.
Исходные данные: -6- Оптим. параметры циркулятора: 1*и1 = -27,5 дБ -> коэффициент отражения
^Ф = 2,0. 5,0 (ММ) Нвн >= 0(Э) ЛФ = 1,7..3,4 (мм) м5 = 15356 R = 150 (нм) q = 2,2*10A-9 d = 10..50 (нм) ё = 14*1,1*10*7 n = 1..5 a = 895(3) --------- :1 1- S211
: : i -
-10 -12 -20 -22 i 1 1^211 = -0,05 дБ -> прямые потери 1*^311 = -44,1 дБ -> развязка между плечами
.................
i i ^^ J
~ ^ : i V
Оптим параметры нанокомпозита:
£v = 4,6-4*10^-4 <r = 0,005 f = 33..35 (ГГц) А = 1 -32 -36 -38 -42 Ч. 1 ^ф = 2,96 мм ^Ф = 3,35 мм Л = 27,7 нм п =5 явн _ 1270 г
8 29 М 31 3 1, ГГц 37
фт Назад {ДО Справк
Рис. 1. Результаты компьютерного моделирования системы «магнитный нанокомпозит - У-циркулятор» на основе опаловых
для ФВЦН1-42
В результате компьютерного моделирования были получены следующие параметры системы «магнитный нанокомпозит - У-циркулятор»:
йф = 2,96 мм, И* = 3,35 мм, й *= 27,7 нм, п* = 5, Н*н = 1270 Э.
8-парамет значений
ры матрицы рассеяния У-циркулятора в данном случае достигли 5211 = -0,05 дБ (прямые потери, т. е. коэффициент прохождения волны в основном направлении), = -44,1 дБ (коэффициент отражения на входе) и ^ц] = -27,5 дБ (коэффициент отражения, характеризующий коэффициент стоячей волны).
В ОАО «ЦНИТИ «Техномаш» разработана технология изготовления высококачественных образцов магнитных нанокомпозитов на основе опаловых матриц (плотно упакованных периодических структур субмикронных сфер БЮ2 с диаметром от 200 до 280 нм) введением в межсферическое пространство опаловых матриц наночастиц ферритов-шпинелей или металлических частиц. Результаты моделирования использовались в технологии изготовления магнитных нанокомпозитов с кобальт-никелевыми частицами в межсферических пустотах. Были изготовлены 6 образцов магнитных нанокомпозитов, эти образцы были в рамках научно-технического сотрудничества переданы Пензенскому артиллерийскому инженерному институту (кафедра общепрофессиональных дисциплин) для экспериментальных исследований их в У-циркуляторе ФВЦН1-42.
В У-циркуляторах ФВЦН1-42 используются ферритовые вкладыши марки 1СЧ4: №0,80Си0,20Мп0,02Бе1,904. Для экспериментальной части исследования были проведены измерения параметров СВЧ-циркулятора со штатным ферритовым вкладышем и образцами, изготовленными по результатам моделирования. Экспериментальные результаты получены при помощи панорамного измерителя КСВН и затуханий Р2-65. Настройку циркулятора на частоту /с = 34 ГГц в натурном эксперименте осуществляли путем изменения внешнего постоянного магнитного поля.
На рис. 2-4 приводятся результаты экспериментальных исследований У-циркулятора ФВЦН1-42 с образцами дисков из магнитных нанокомпозитов. Графики кривых на данных рисунках по результатам измерений отражают экспериментальные зависимости Б-параметров матрицы рассеяния У-циркулятора от частоты для образцов вкладышей на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц.
В таблице представлены основные значения Б-параметров матрицы рассеяния У-циркулятора базового образца (ФВЦН1-42), результатов компьютерного моделирования системы «магнитный нанокомпозит - У-циркулятор», экспериментальных исследований с изготовленными образцами магнитных нанокомпозитов.
Из результатов, приведенных в таблице, следует, что к оптимальным характеристикам (|З^) = -0,05 дБ, ^^ = -44,1 дБ) приближаются характеристики У-циркуляторов, в которых применялись образцы магнитных нанокомпозитов: №488/5-810 и №526/4-1200. Процентное содержание магнитных наночастиц для образца №488/5-810 составляло 8,179 %, для образца №526/4-1200 - 7,12 %.
а
б
Рис. 2. Результаты экспериментальных исследований: а - образец №488/5-810 (Нвн = 1310 Э, |£п| = -22,4 дБ, |£31| = -37,1 дБ,
|З211 = -0,1 дБ); б - образец №526/4-1200 (Нвн = 1320 Э, |£п| = -22,7 дБ,
|£31| = -36,5 дБ, |З21| = -0,13 дБ)
29 31 33 35 37 29 31 33 35 37
а б
Рис. 3. Результаты экспериментальных исследований: а - образец №514/5-700 (Нвн = 1270 Э, |£п| = -22,3 дБ, |£31| = -33,1 дБ,
= -0,21 дБ); б - образец №413/6-700 (Нвн = 1280 Э, |£п| = -19,7 дБ, |£31| = -31,9 дБ, |%| = -0,23 дБ) 232
29 31 33 35 37 29 31 33 35 37
Рис. 4. Результаты экспериментальных исследований: а - образец №514/5-1200
(Нвн = 1290 Э, |5П| = -19,8 дБ, |к31| = -30,2 дБ, |к21| = -0,24 дБ); б - образец №521/5-708 (Нвн = 1220 Э, |5П| = -18,7 дБ, |531| = -28,4 дБ, |к21| = -0,26 дБ)
Результаты комплексных исследований системы «магнитные нанокомпозиты - У-циркулятор»
Прямые потери циркуля- Развязка между плечами
Вид циркулятора тора в полосе 1 2ilmax частот 3 3 ГГц < / < 35 ГГц циркулятора к^! . 1 31 тат в полосе частот 33 ГГц < / < 35 ГГц
1. Штатный Y-циркулятор ФВЦН1-42 0,3 20
2. Оптимальные характеристики Y- 0,05 44,1
циркулятора по результатам компь-
ютерного моделирования
3. Y-циркулятор с магнитными нано-
композитами, изготовленными по
результатам моделирования:
3.1. Образец №488/5-810 0,1 37,1
3.2. Образец №526/4-1200 0,13 36,5
3.3. Образец №514/5-700 0,21 33,1
3.4. Образец №413/6-700 0,23 31,9
3.5. Образец №514/5-1200 0,24 30,2
3.6. Образец №521/5-708 0,26 28,4
Таким образом, результаты моделирования и экспериментальные значения для прямых потерь имеют разницу 50 % при улучшении этого показателя по сравнению со штатным образцом на 67 %. Для обратных потерь разница составила 16 % при улучшении этого показателя по сравнению со штатным образцом на 86 %.
Исследование показало, что
- система «магнитный нанокомпозит - Y-циркулятор» на основе опаловых матриц по своим параметрам превосходит циркулятор (на примере ФВЦН1-42) с обычным ферритовым вкладышем: по прямым потерям - на 67 %, по обратным - на 87 %;
- используемый математический аппарат и вычислительный алгоритм оптимизации параметров и структуры системы «магнитный нанокомпозит - Y-циркулятор» позволяет с достаточной точностью провести моделирование оптимального варианта;
- необходимо дополнительное исследование изготовленных образцов на предмет выявления факторов, вносящих погрешность.
Список литературы
1. Металломагнитные диэлектрические нанокомпозиты на основе опаловых матриц / М.И. Самойлович, А.Ф. Белянин, Н.И. Юрасов, С.М. Клещева, М.Ю Цветков, Е.А. Ганьшина, Н.С. Перов, С.С. Агафонов, В.П. Глазков, В. А. Саненков, В.М. Черепанов // Труды XII Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России (Материалы и устройства функциональной электроники и микро-фотоники)». М., 2006. С. 32-39.
2. Экспериментальное исследование микроволновых характеристик Y-циркуляторов на основе магнитных нанокомпозитов из опаловых матриц / О.А.Голованов, Г.С.Макеева, М.И.Самойлович, А.Б.Ринкевич, Д.Н. Ширшиков // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2015. Т. 18. № 1. С. 9-12.
3. Микроволновые свойства 3Б-нанокомпозитных металло-диэлектрических наноматериалов / А.Б. Ринкевич [и др.] // Наука и технологии в промышленности. 2011. № 3. С. 52-61.
4. Частотная зависимость коэффициента поглощения миллиметровых волн в 3Б-нанокомпозитах на основе опаловых матриц / А.Б. Ринкевич [и др.] // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 8. С. 1-5.
5. Голованов О. А., Макеева Г.С., Ширшиков Д.Н. Математическое моделирование невзаимных устройств СВЧ на основе магнитных нано-композитов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2014. Т.17. № 2. С. 32-39.
6. Photoinduced formation of gold nanoparticles into vinyl alcohol based polymers / A. Pucci, M. Bernabo, P. Elvati, L.I. Meza, F. Galembeck, C.A. de P. Leite, N. Tirelli, G. Ruggeriab // J. Mater. Chem. 2006. Vol. 16. Р. 10581066.
7. Reinholdt А. Novel nanoparticle matter: ZrN-nanoparticles / A. Rein-holdt, R. Detemple, A.L. Stepanov, T.E. Weirich, U. Kreibig // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2003. Vol. 77. Р. 681-686.
234
8. Maedler L., Stark W.J., Pratsinisa S.E. Simultaneous deposition of Au nanoparticles during flame synthesis of TiO2 and SiO2 // J. Mater. Res, 2003. Vol. 18. No 1. Р. 115-120.
9. Akurati K.K. Silica-based composite and mixed-oxide nanoparticles from atmospheric pressure flame synthesis / K.K. Akurati, R. Dittmann, A. Vital, U. Klotz, P. Hug, T. Graule, M. Winterer // Journal of Nanoparticle Research, 2006. Vol. 8. Р. 379-393.
10. Prasad P.N. Nanophotonics // John Wiley and Sons. 2004. Р. 252258.
11. Ma X., Shi W., Yan Z., Shen B. Fabrication of silica/zinc oxide core-shell colloidal photonic crystals // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2007. Vol. 88. Р. 245-248.
Жернаков Петр Борисович, ст. науч. сотрудник, zhernakov petramail.rii, Россия, Санкт-Петербург, Научно-исследовательский институт (военно-системных исследований материально-технического обеспечения ВС РФ) — Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева
INTEGRA TED STUDY OF THE SYSTEM "MAGNETIC NANOCOMPOSITE -Y-CIRCULA TOR-" ON THE BASIS OF OPAL MA TRICES
P.B. Zhernakov
The article is devoted to the complex research of the system "magnetic nanocompo-site - Y-circulator" to check the conformity of the used mathematical apparatus and computing algorithm to optimize its parameters and structure, including the modeling, experiment and compare results.
Key words: modeling, experiment, microwave technology, nanocomposite, optimal parameters, opal matrix.
Zhernakov Petr Borisivich, senior researcher, zhernakov petramail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Scientific Research Institute (military-system research of material and technical support of the Armed Forces of the Russian Federation) - Military Academy of Material and Technical Support named after General of the Army A. V. Khruleva
